重康动力（深圳）有限公司

摘要： 本文系统解析应急电源与备用电源的法规定义、适用场景及柴油发电机组的性能等级与功率种类，并完整推导机房通风量、余热量及排烟管直径的计算公式与工程参数。为设计人员与运维工程师提供一套从选型到机房设计的量化决策依据，确保供电可靠性与机房环境安全。

 

一、 应急电源与备用电源的法规定义及选型依据

 

供电电源是电气系统的命脉，电力网络难以绝对可靠。为提高供电连续性，需根据负荷性质合理选择自备电源。

1. 术语的法规界定与核心区别
（1）应急电源（安全设施电源）：用作应急供电系统组成部分的电源，独立于主电源和备用电源之外，对电源转换时间有严格要求，持续供电时间需依据应急设备需求确定，且严禁将其他负荷接入其供电系统。根据《供配电系统设计规范》3.0.3，一级负荷中特别重要的负荷，除双重电源供电外，尚应增设应急电源。
（2）备用电源：在主电源消失时投入，转换时间需满足用电负荷允许断电时间要求，通常在较长时间内承担供电保障作用。二者虽均独立于主电源，但应急电源的服务对象与切换速度更为严苛。常见康明斯结构外形如图、图2所示。

2. 可作为应急或备用电源的三种形式
（1）供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路。
（2）独立于正常电源的柴油发电机组。
（3）蓄电池组（常用于不间断电源系统）。

3. 应设置自备电源的典型场景
（1）一级负荷中含有特别重要负荷，或第二电源不能满足一级负荷要求时。
（2）设置自备电源比从电力系统取得第二电源更为经济合理。
（3）建筑高度超过50m的公共建筑，外部只有一回电源且不能满足用电要求。
（4）双重电源中的一路为冷备用，且不能满足消防电源允许中断供电时间要求。
（5）有常年稳定余热、压差、废弃物可供发电，或具备分布式电源条件且能源利用效率高时。
（6）所在地区偏僻、远离电力系统，设置自备电源经济合理时。

 

图1  备用型C90D5康明斯发电机组平面图

图2  备用型C90D5康明斯发电机组侧面图

 

二、 柴油发电机组的性能等级与功率种类

 

正确选用柴油发电机组，需同时明确其性能等级（对应负载特性）和功率种类（对应运行时长限制）。

1. 四个性能等级及其适用负载
（1）G1级：仅规定基本电压和频率参数，适用于照明和简单电气负载。
（2）G2级：电压特性与电网类似，允许负载变化时出现暂态偏差，适用于照明、水泵、风机等。
（3）G3级：对电压、频率和波形有严格要求，适用于电信负载和晶闸管控制设备。
（4）G4级：对电能质量有特别严格要求，适用于数据处理设备和计算机系统。

2. 四种功率定义与年运行限制
（1）持续功率（COP）：恒定负载下连续运行，年运行时间不受限制，适用于负荷稳定需长期供电的场所。
（2）基本功率（PRP）：可变负载下连续运行，年时间不受限制，但24h周期内平均功率不得超过PRP的70%（除非制造商另有约定）。适用于负荷变化的连续供电场景。
（3）限时运行功率（LTP）：年运行时间不超过500h的最大功率，用于负荷稳定但无需长期连续供电的场所。
（4）应急备用功率（ESP）：市电中断或实验条件下，年运行时间不超过200h的最大功率，24h平均功率通常不超过70%ESP。适用于市电可靠、仅需短时紧急供电的场景。

 

三、 机房通风量与散热量的工程计算方法

 

机房通风设计是保障柴油发电机组可靠运行的关键环节，需同时满足燃烧空气、排除有害气体及设备散热的需求。通风设计示例如图3所示。

1. 柴油机燃烧空气量与排烟量计算
（1）燃烧空气量（Lr） ：

Lr = 60 × n × i × t × k₁ × Vn

其中，n为转速，i为气缸数，t为冲程系数（四冲程取0.5），k₁为空气流量系数（非增压取ηv，增压取1.1~1.2倍ηv），ηv为吸气效率（非增压一般取0.85），Vn为单缸工作容积（m³）。注：该值亦可直接从康明斯样本资料查询。
（2）排烟量（Lpy） ：计算公式为 Lpy = 0.785 × d² × S × (2n/Z) × i。其中d为气缸直径（m），S为活塞行程（m），Z为冲程数，i为气缸数，各参数均可从柴油机样本获得。

2. 水冷机型进风量（以排除有害气体为控制目标）

进风量 Lj = Ne × q（m³/h），Ne为额定功率（kW）

其中，q为排除有害气体的进风标准。推荐取值：排烟管架空时q=13.6~20.4 m³/(kW·h)；沿地沟敷设时q=27.2~34 m³/(kW·h)；增压柴油机建议q≥20 m³/(kW·h)。其余参数见表1、表2。

表1    柴油发电机房内有害气体允许浓度

表2     附属房间的换气量

3. 风冷机型余热量构成与计算

风冷机组的余热量（Q）由四部分构成：

（1）柴油机散热量（Q₁） ：

Q₁ = 0.278 × Ne × B × q × η₁

其中，B为耗油率（取0.23 kg/kWh），q为燃料热值（41.87 MJ/kg），η₁为散向空气的热量系数，其取值参考表3。

（2）发电机散热量（Q₂） ：

Q₂ = P × (1/η₂ - 1)

其中，P为发电机额定输出，η₂为效率（通常80%~94%）。

（3）排烟管散热量（Q₃） ：

Q₃ = [π(ty - tn)] / [(1/2λ)ln(D/d) + (1/Dα)]

其中，ty为排烟管外壁温度（取300~400℃），tn为机房温度（取35~40℃），λ为保温材料导热系数（矿渣棉取0.053），α为表面放热系数（取11.63），D为保温外径，d为排烟管外径。
（4）柴油机冷却排热量（Q₄） ：

Q₄ = 0.278 × η × Ne × Kb × q × B

其中，η为冷却水带走热量比例（取30%），Kb为散热损失安全系数（取0.85）。

余热量总和：若冷却排热量通过风管直排室外，则 Q = (Q₁ + Q₂) × β + Q₃；否则 Q = (Q₁ + Q₂) × β + Q₃ + Q₄。其中β为大气条件修正系数（非标准大气压、高温高湿时需修正）。

表3    柴油机工作时的散热量系数η₁值

 

4. 风冷机型进风量及排烟管设计

（1）进风量（Lj） ：

Lj = 3600 × [Q / (tn - tw) × Cp × ρ]

其中，tw为室外夏季通风计算温度，Cp为空气比定压热容，ρ为空气密度。

（2）排烟管直径（dpy） ：

dpy = √[Lpy / (60×0.785×ν)] × [(273+t)/(273+20)]

其中，ν为烟气流速（支管20~25m/s，干管8~15m/s），t为烟气温度（支管取400℃，干管取200℃）。推荐内径根据排烟口尺寸与管道长度查表4选用。排烟系统总阻力：非增压机应＜3kPa，增压机应＜1kPa。

表4    推荐用排烟管道内径尺寸（mm）

 

 

（3）保温层外表面温度校核：

t₂ = (qe / π×D×α) + tn

其中，要求t₂＜60℃。当排烟管外表面温度≤450℃时采用一层岩棉毡保温；＞450℃时采用两层（内层硅酸铝纤维毡，外层岩棉毡），厚度根据管径与外温查表5确定。

表5    排烟管保温层厚度与导热率

 

图3  柴油发电机通风系统示意图

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总结

自备电源的合理选型与机房通风量化设计，是保障供电可靠性与设备长寿命运行的两大支柱。在选型层面，需严格区分应急电源与备用电源的法规界限，依据负荷等级（特别是一级负荷）确定是否增设独立应急电源，并按照负载特性（G1~G4级）和年运行时长（COP、PRP、LTP、ESP）精准匹配柴油发电机组型号。在机房工程层面，必须量化计算燃烧空气量、排烟量、有害气体排除风量及各类散热量（柴油机、发电机、排烟管、冷却水），并据此确定进风量、排烟管直径及保温层厚度，确保排烟系统阻力（非增压＜3kPa，增压＜1kPa）与保温层外表面温度（＜60℃）满足规范。设计人员应结合康明斯等厂商样本数据，将上述理论公式与设备实际参数对接，形成闭环校核，从而构建安全、高效、合规的备用电源系统。

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